四川省尼日河开建桥电站工程调压井围岩及支护结构稳定性分析与优化研究

好， 不利结构面为层间错动带（ ， ｃ ）产生于相对软弱的凝灰岩夹层 中， 其与 Ｎ ０节理组的相互 ６
组合， 构成 非稳 定结 构体 ， 制井 壁岩 体稳定 性 。地 质报 告 建议 有 针对 性 的采 取 局 部加 固， 控 并 注 意排 除岩体 内部细小 渗 流 。 调压 井 围岩 ９ ５０ ｍ 高程 以上 为 Ⅲ类 围 岩 ，４ ．０ 高程 以下 为 Ⅱ类 围岩 ， ４ ．０ ９５ ０ ｍ 设计根据经验临时支护采用喷 ｌｃ Ｏ ｍ厚纤维混凝土 ， 边墙部位
采 用 中 ５ 长 ３０—５Ｏ 的 系统锚 杆 加 固， 顶 采 用 中２ 、 ４ ０—６ Ｏ 的系 统锚 杆 进 行 加 ２、 ． ．ｍ 拱 ５长 ． ．ｍ
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与 变形规律 ， 以及 不 同工况下衬砌 结 构的稳 定性 分析 ， 究 了优 化 的衬砌 结 构方案 。 研
关键词 调压井； 三维有限元 ； 应力； 优化 ； 仿真分析模型
１ 工程概况 ．
甘 洛县开建 桥 水 电站 位 于 尼 日河 于 流下 游 段 凉 红 至 开 建 桥 之 间。工 程 区 南 距 甘 洛县 １ｋ 由首部枢 纽 、 水系统 和厂房 等 建筑 物 组 成 。首部 枢 纽 由进 水 闸 、 洪 冲沙 闸 、 岸连 ８ ｍ， 引 泄 右 接坝及上 、 下游辅 助建筑 物组 成 。弓水建筑 物 由进水 闸 、 Ｉ 暗涵 、 有压 隧洞 、 调压井 和压力 管道组 成 。主厂房为地 面式 厂房 ， 水与 尼 日河 天然来 水相 接 。电站开发 方式 为低 闸引水式 电站 ， 尾 除 发 电外 无其他综 合 利用要 求 。电站 为径 流式 ， 电引水 流量 ９ ．ｍ ／ ， 发 ８７ 。ｓ额定 水 头 ５ ｍ， ６ 电站 装
方 案见表 ２ 。
４ 计算分析模型
施工期岩体采用三角形 ６节点等单元模拟 ， 将岩体视为弹塑性介质 ， 采用 Ｍ ｈ — ｏｌ ｂ ｏｒ Ｃｕ ｍ ｏ
２０ ０６年第 ２期 四川省尼 Ｌ河开建桥 电站工程 调压井 围岩及支护结构稳定性分析与优化研究 ｔ
２ １
固， 杆 间距 ２Ｘ ｍ， 上一 层 开挖支 护完 成后 ， 行 下一 层 的开挖 施 工 。 Ⅱ类 围 岩距 掌子 面 锚 ２ 待 进
３０ ． 倍调压井开挖跨度开始喷锚支护， Ⅲ类围岩距掌子面 ２ ５ ． 倍调压井开挖跨 度开始喷锚支
３ ３ 优化 方案 ．
对于施工期的喷锚支护 ， 本次分析计算以原设计为基础 ， 通过奥地利引进的大型岩土工程 数 值仿真分 析软件 ＦＮ Ｌ和西安 理工 大学 岩土所 自行研 制 的大 型岩 土 工程 软件 包 Ｒ Ｃ Ｓ对 ＩＡ ＯＫ 施工的开挖、 支护过程进行模拟分析围岩的稳定性 ， 提出优化支护参数 。对永久的混凝土衬砌 按底板和边墙分别减薄 、 支撑梁减少和断面减少进行对 比分析计算确定优化方案 ， 拟定的优化
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陕西 水利水 电技术
总第 ９ ｏ期
四川省尼 日河开建桥 电站工程调压井围岩 及支护结构 稳定性分析 与优化研究
毛 拥政
（ 水利部 陕 西水利 电力勘测 设计研 究 院 陕 西 西安 ７００ ） １０ １
摘 要 本文以四川省尼 日 河开建桥电站调压井为对象， 探索和研 究了用三维有限 元 的方法计 算调压 井 的建模 方 法 ， 讨论 了施 工期 调 压 井在 开挖 过 程 中应 力 分布 情 况
３ 计算工况及优化方案 ．
３ １ 施工 工况 ．
施 工期 ： 始地应力 ＋ 挖地 应力 释放荷 载 ＋围岩 与支护 相互作 用力 。 初 开
其 中， 开挖地应力释放荷载由开挖的步骤、 支护的时机及掌子面推进与分析断面之间的距 离来分析计算。根据围岩参数来确定支护时机 ，Ⅱ 围岩距掌子面 ３ ０ 类 ． 倍调压井开挖跨度开 始喷锚支护 ， Ⅲ类围岩距掌子面 ２５ ． 倍调压井开挖跨度开始喷锚支护。
护 。永久支 护地板 ， 边墙 采用 １２ ．ｍ厚 Ｃ ５钢 筋混凝 土衬 砌 。本文在 此基 础上进 行优化 。 ２
２ 地质概况及计算参数 ．
调压井设置于厂房内侧边坡岩体 内， 中心位置厂房平距约 ７ｍ， 其 ０ 高程 ９０ 坡度平均达 ５ ｍ，
４ 。为谷坡 中下段 。斜坡 上部 自然边 坡 为 ３ 。表层 约 ７～８ 为崩 坡 积块 碎 石层 （ ｉ“ ） 稳 ７， ８， ｍ Ｑ ， 定 性差 。调压 井 围岩 主要 为轻微 卸荷 的硬 质岩 ， 中厚 层 ～厚层状 顺坡 岩体结 构 ， 呈 岩体完整 性
数 如表 １
表 １ 开 建桥 调 压 井建议地 质参 数
围岩类型 岩体密度 （ ） ＭＰ ）变形模量 。泊松 比 抗力系数 坚 固系数 （Ｎ ｋ／ 。 （ Ｃ （ Ｐ ） ａ ＧａＥ ｍ） （ Ｐ／ Ｇ ａ ｍ）
Ⅱ Ⅲ ２ ６ ２ ５ ４ ２ ４ ０ １５ ． １ １ ０ ８ ０． ３ ２ ０． ５ ２ ４ ３～３ ５ ． ５—６ ４ ～５
机容量 为 ３×１ ＭＷ。 ６
调 压井 为带上 室的阻抗 式 ， 筒为 ３ ．ｍ × ｍ×３ ．２ 长 ×宽 ×高 ） 井 ９６ ７ ４０ ｍ（ 的方 形 结构 ， 室 上
调压井纵剖面图
图 １ 调 压 井 示 意 图
为城 门洞 形 （ｍ￣ ｍ）面积 ４ ０ 底 部高 程 ９ １ 连接管 内径 ４Ｏ 见示 意 图 １ ５ ７ ， ０ｍ， ４ ｍ， ．ｍ， 。
３ ２ 运 行期 工况 ．
计算荷载 ： 初始地应力场 ＋ 开挖地应力释放荷载 ＋ 围岩与衬砌相互作用力 ＋ 外水压力。 其中， 外水压力通过在隧洞衬砌外侧上施加等效节点荷载来模拟， 分别考虑不同的外水水
头， 衬砌 和 围岩共 同承载或 衬砌单 独 承载 ， 以及 同时考 虑部分 山岩 压力 。